Digital transformatorstation är en trend inom energisektorn. Om du är nära ämnet, så har du förmodligen hört att en stor mängd data överförs i form av multicast-strömmar. Men vet du hur man hanterar dessa multicast-strömmar? Vilka verktyg för flödeshantering används? Vad ger myndighetsdokumentationen råd?
Alla som är intresserade av att förstå detta ämne är välkomna till katten!
Hur överförs data över nätverket och varför hantera multicast-strömmar?
Innan jag går direkt till den digitala understationen och nyanserna i att bygga ett LAN, erbjuder jag ett kort utbildningsprogram om typerna av dataöverföring och dataöverföringsprotokoll för att arbeta med multicast-strömmar. Vi gömde utbildningsprogrammet under en spoiler.
Dataöverföringstyper
Typer av trafik på ett LAN
Det finns fyra typer av dataöverföring:
- Broadcast – broadcasting.
- Unicast – meddelanden mellan två enheter.
- Multicast – skicka meddelanden till en specifik grupp av enheter.
- Okänd Unicast – sändning med målet att hitta en enhet.
För att inte blanda ihop korten, låt oss kort prata om de andra tre typerna av dataöverföring innan vi går vidare till multicast.
Först och främst, låt oss komma ihåg att inom ett LAN görs adressering mellan enheter baserat på MAC-adresser. Alla meddelanden som sänds har SRC MAC- och DST MAC-fält.
SRC MAC – source MAC – avsändarens MAC-adress.
DST MAC – destination MAC – mottagarens MAC-adress.
Växeln sänder meddelanden baserat på dessa fält. Den slår upp DST MAC, hittar den i dess MAC-adresstabell och skickar ett meddelande till porten som anges i tabellen. Han tittar också på SRC MAC. Om det inte finns någon sådan MAC-adress i tabellen läggs ett nytt "MAC-adress – port" till.
Låt oss nu prata mer i detalj om typerna av dataöverföring.
unicast
Unicast är adressöverföringen av meddelanden mellan två enheter. I huvudsak är detta punkt-till-punkt dataöverföring. Med andra ord använder två enheter alltid Unicast för att kommunicera med varandra.
Unicast-trafiköverföring
Broadcast
Broadcast är ett broadcast-meddelande. De där. broadcasting, när en enhet skickar ett meddelande till alla andra enheter i nätverket.
För att skicka ett broadcast-meddelande anger avsändaren sommartid MAC-adress FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Broadcast trafiköverföring
Okänd Unicast
Okänd Unicast, vid första anblicken, är väldigt lik Broadcast. Men det finns en skillnad mellan dem - meddelandet skickas till alla nätverksdeltagare, men är endast avsett för en enhet. Det är som ett meddelande i ett köpcentrum som ber dig att parkera om din bil. Alla kommer att höra detta meddelande, men bara en kommer att svara.
När switchen tar emot en ram och inte kan hitta destinations-MAC från den i MAC-adresstabellen, sänder den helt enkelt detta meddelande till alla portar utom den från vilken den tog emot det. Endast en enhet kommer att svara på ett sådant utskick.
Överföring av okänd Unicast-trafik
multicast
Multicast är att skicka ett meddelande till en grupp enheter som "vill" ta emot denna data. Det är väldigt likt ett webinar. Det sänds över hela Internet, men bara de personer som är intresserade av detta ämne ansluter till det.
Denna dataöverföringsmodell kallas "Publisher - Subscriber". Det finns en utgivare som skickar data och prenumeranter som vill ta emot denna data prenumererar på den.
Med multicast-sändning skickas meddelandet från en riktig enhet. Käll-MAC i ramen är avsändarens MAC. Men Destination MAC är en virtuell adress.
Enheten måste ansluta till gruppen för att ta emot data från den. Switchen omdirigerar informationsflöden mellan enheter - den kommer ihåg vilka portar data överförs från och vet vilka portar denna data ska skickas till.
Överföring av Multicast-trafik
En viktig poäng är att IP-adresser ofta används som virtuella grupper, men eftersom... Eftersom den här artikeln handlar om energi kommer vi att prata om MAC-adresser. I IEC 61850-familjen av protokoll som används för den digitala understationen är indelningen i grupper baserad på MAC-adresser
Ett kort utbildningsprogram om MAC-adressen
MAC-adressen är ett 48-bitars värde som unikt identifierar en enhet. Den är uppdelad i 6 oktetter. De tre första oktetterna innehåller tillverkarinformation. Oktetterna 4, 5 och 6 tilldelas av tillverkaren och är enhetsnumret.
MAC-adressstruktur
I den första oktetten bestämmer den åttonde biten om meddelandet är unicast eller multicast. Om den åttonde biten är 0, är denna MAC-adress adressen till den verkliga fysiska enheten.
Och om den åttonde biten är 1, så är denna MAC-adress virtuell. Det vill säga att denna MAC-adress inte tillhör en riktig fysisk enhet, utan till en virtuell grupp.
Ett virtuellt team kan jämföras med ett sändningstorn. Radiobolaget sänder lite musik till detta torn, och de som vill lyssna på det ställer in sina mottagare på önskad frekvens.
Till exempel skickar en IP-videokamera data till en virtuell grupp, och de enheter som vill ta emot denna data ansluter till denna grupp.
Åttonde biten av den första oktetten i MAC-adressen
Om multicast-stöd inte är aktiverat på switchen kommer den att uppfatta multicast-strömmen som en sändning. Följaktligen, om det finns många sådana flöden, kommer vi mycket snabbt att täppa till nätverket med "skräp" trafik.
Vad är kärnan i multicast?
Huvudidén med multicast är att endast en kopia av trafik skickas från enheten. Switchen bestämmer vilka portar abonnenterna är på och överför data från avsändaren till dem. Således låter multicast dig avsevärt minska data som överförs via nätverket.
Hur fungerar detta på ett riktigt LAN?
Det är tydligt att det inte räcker att bara skicka en kopia av trafiken till någon MAC-adress vars åttonde bit av den första oktetten är 1. Prenumeranter måste kunna ansluta till denna grupp. Och switchar måste förstå från vilka portar data kommer och till vilka portar den behöver överföras. Först då kommer multicast att göra det möjligt att optimera nätverk och hantera flöden.
För att implementera denna funktionalitet finns det multicast-protokoll. Den vanligaste:
- IGMP.
- PIM.
I den här artikeln kommer vi att prata tangentiellt om den allmänna driftsprincipen för dessa protokoll.
IGMP
En IGMP-aktiverad switch kommer ihåg vilken port multicast-strömmen kommer till. Prenumeranter måste skicka ett IMGP Gå med-meddelande för att gå med i gruppen. Switchen lägger till porten från vilken IGMP Join kom till listan över nedströmsgränssnitt och börjar sända multicastströmmen dit. Switchen skickar kontinuerligt IGMP Query-meddelanden till nedströmsportar för att kontrollera om den behöver fortsätta att överföra data. Om ett IGMP Leave-meddelande togs emot från en port eller om det inte fanns något svar på ett IGMP Query-meddelande, stoppas sändningen till det.
PIM
PIM-protokollet har två implementeringar:
- PIM DM.
- PIM SM.
PIM DM-protokollet fungerar omvänt mot IGMP. Switchen skickar initialt multicast-strömmen som en sändning till alla portar utom den från vilken den togs emot. Sedan inaktiverar den flödet på de portar som meddelanden kom från att det inte behövdes.
PIM SM verkar nära IGMP.
För att mycket grovt sammanfatta den allmänna principen för multicast-drift - utgivaren skickar en multicast-ström till en specifik MAC-grupp, abonnenter skickar förfrågningar om att ansluta till denna grupp, switchar hanterar dessa strömmar.
Varför gick vi över multicast så ytligt? Låt oss prata om detaljerna för den digitala understationens LAN för att förstå detta.
Vad är en digital understation och varför behövs multicast där?
Innan du pratar om den digitala understationens LAN måste du förstå vad en digital understation är. Svara på frågorna då:
- Vem är involverad i dataöverföringen?
- Vilken data överförs till LAN?
- Vad är den typiska LAN-arkitekturen?
Och efter det diskutera multicast...
Vad är en digital transformatorstation?
Digital Substation är en transformatorstation där alla system har en mycket hög grad av automatisering. All sekundär och primär utrustning i en sådan transformatorstation är fokuserad på digital dataöverföring. Datautbytet är byggt i enlighet med överföringsprotokollen som beskrivs i IEC 61850-standarden.
Följaktligen överförs all data digitalt här:
- Mått.
- Diagnostisk information.
- Kontrollkommandon.
Denna trend har fått stor utveckling i den ryska energisektorn och implementeras nu överallt. Under 2019 och 2020 dök det upp många reglerande dokument som reglerade skapandet av en digital transformatorstation i alla utvecklingsstadier. Till exempel, STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" definierar följande definition och kriterier för en central bensinstation:
Definition:
Digital transformatorstation är en automatiserad transformatorstation utrustad med digitala informations- och kontrollsystem som interagerar i ett enda tidsläge och fungerar utan närvaro av permanent tjänstgörande personal.
Kriterier:
- observerbarhet på avstånd av parametrarna och driftsätten för utrustning och system som är nödvändiga för normal drift utan konstant närvaro av tjänste- och underhållspersonal;
- tillhandahållande av telestyrning av utrustning och system för drift av transformatorstation utan konstant närvaro av tjänste- och underhållspersonal;
- hög nivå av automatisering av utrustning och systemhantering med hjälp av intelligenta styrsystem för driftsätt för utrustning och system;
- fjärrkontroll av alla tekniska processer i ett enda tidsläge;
- digitalt datautbyte mellan alla tekniska system i ett enda format;
- integration i det elektriska nätverket och företagsledningssystemet, samt säkerställa digital interaktion med relevanta infrastrukturorganisationer (med relaterade faciliteter);
- funktions- och informationssäkerhet under digitalisering av tekniska processer;
- kontinuerlig övervakning av tillståndet för den viktigaste tekniska utrustningen och systemen online med överföring av den erforderliga mängden digitala data, kontrollerade parametrar och signaler.
Vem är involverad i dataöverföringen?
Den digitala transformatorstationen inkluderar följande system:
- Reläskyddssystem. Reläskydd är praktiskt taget "hjärtat" i den digitala transformatorstationen. Reläskyddsterminaler tar ström- och spänningsvärden från mätsystem. Baserat på dessa data, utarbetar terminalerna den interna skyddslogiken. Terminalerna kommunicerar med varandra för att överföra information om aktiverade skydd, kopplingsanordningarnas positioner etc. Terminalerna skickar även information om händelser som har inträffat till ICS-servern. Totalt kan flera typer av kommunikation särskiljas:
▸Horisontell anslutning – kommunikation mellan terminaler.
▸Vertikal anslutning – kommunikation med servern för automatiserat processkontrollsystem.
▸Mätningar – kommunikation med mätinstrument.
- Kommersiella elmätsystem.Förvaringsmätsystem kommunicerar endast med mätanordningar.
- Utsändningskontrollsystem.Deldata ska skickas från den automatiserade processkontrollsystemservern och från den kommersiella bokföringsservern till kontrollcentralen.
Detta är en mycket förenklad lista över system som utbyter data som en del av en digital transformatorstation. Om du är intresserad av att fördjupa dig i detta ämne, skriv i kommentarerna.
Vi berättar om detta separat 😉
Vilken data överförs till LAN?
För att kombinera de beskrivna systemen med varandra och organisera horisontell och vertikal kommunikation, samt överföring av mätningar, organiseras bussar. Låt oss för närvarande komma överens om att varje buss bara är ett separat LAN på industriella Ethernet-switchar.
Blockschema över en elektrisk kraftanläggning i enlighet med IEC 61850
Blockdiagrammet visar däcken:
- Övervakning/kontroll.
- Överföring av reläskyddssignaler.
- Överföring av momentana spänningar och strömmar.
Skyddsreläterminaler deltar i både horisontell och vertikal kommunikation och använder även mätningar, så de är anslutna till alla bussar.
Via bussen "Sändning av reläskyddssignaler" överför terminalerna information sinsemellan. De där. här är en horisontell anslutning implementerad.
Överföringen av mätningar implementeras genom bussen "Överföring av momentana värden av spänningar och strömmar". Mätanordningar - ström- och spänningstransformatorer, samt reläskyddsplintar - är anslutna till denna buss.
ASKUE-servern är också ansluten till bussen "Sändning av momentana värden av spänningar och strömmar", som också tar mätningar för redovisning.
Och bussen "Monitoring/Control" tjänar till vertikal kommunikation. De där. genom den skickar terminalerna olika händelser till ICS-servern, och servern skickar även kontrollkommandon till terminalerna.
Från den automatiserade processkontrollsystemservern skickas data till kontrollcentralen.
Vad är den typiska LAN-arkitekturen?
Låt oss gå vidare från ett abstrakt och ganska konventionellt strukturdiagram till mer vardagliga och verkliga saker.
Diagrammet nedan visar en ganska standard LAN-arkitektur för en digital understation.
Digital transformatorstationsarkitektur
Vid 6 kV eller 35 kV transformatorstationer kommer nätverket att bli enklare, men om vi talar om transformatorstationer på 110 kV, 220 kV och högre, samt LAN för kraftstationer, kommer arkitekturen att motsvara den som visas.
Arkitekturen är uppdelad i tre nivåer:
- Stations-/understationsnivå.
- Gå med nivå.
- Processnivå.
Stations-/understationsnivå inkluderar arbetsstationer och servrar.
Gå med nivå omfattar all teknisk utrustning.
Processnivå inkluderar mätutrustning.
Det finns också två bussar för att kombinera nivåer:
- Station/understation buss.
- Processbuss.
Stations-/understationsbussen kombinerar funktionerna för bussen "övervakning/kontroll" och bussen "Reläskyddssignalöverföring". Och processbussen utför funktionerna för bussen "Överföring av momentana spännings- och strömvärden".
Funktioner för multicast-överföring i en digital understation
Vilken data överförs med multicast?
Horisontell kommunikation och överföring av mätningar inom den digitala understationen utförs med hjälp av Publisher-Subscriber-arkitekturen. De där. Reläskyddsterminaler använder multicast-strömmar för att utbyta meddelanden sinsemellan, och mätningar överförs också med multicast.
Innan den digitala transformatorstationen inom energisektorn implementerades horisontell kommunikation med hjälp av punkt-till-punkt-kommunikation mellan terminaler. Antingen en koppar- eller optisk kabel användes som gränssnitt. Data överfördes med hjälp av proprietära protokoll.
Det ställdes mycket höga krav på denna koppling, eftersom dessa kanaler överförde signaler om skyddsaktivering, position för omkopplingsanordningar, etc. Algoritmen för operationell blockering av terminaler berodde på denna information.
Om data överförs långsamt eller inte garanteras är det stor sannolikhet att någon av terminalerna inte kommer att få aktuell information om den aktuella situationen och kan skicka en signal om att stänga av eller slå på växelanordningen när t.ex. , en del arbete utförs på den. Eller så kommer brytarfelet inte att fungera i tid och kortslutningen sprids till resten av den elektriska kretsen. Allt detta är kantat av stora ekonomiska förluster och ett hot mot människoliv.
Därför var uppgifterna tvungna att överföras:
- Pålitlig.
- Garanterat.
- Snabbt.
Nu används istället för punkt-till-punkt kommunikation en station/understationsbuss, d.v.s. LAN. Och data överförs med GOOSE-protokollet, som beskrivs av IEC 61850-standarden (i IEC 61850-8-1, för att vara mer exakt).
GOOSE står för General Object Oriented Substation Event, men denna avkodning är inte längre särskilt relevant och bär ingen semantisk belastning.
Som en del av detta protokoll utbyter reläskyddsterminaler GOOSE-meddelanden med varandra.
Övergången från punkt-till-punkt-kommunikation till ett LAN förändrade inte tillvägagångssättet. Data behöver fortfarande överföras tillförlitligt, säkert och snabbt. Därför använder GOOSE-meddelanden en något ovanlig dataöverföringsmekanism. Mer om honom senare.
Mätningar, som vi redan har diskuterat, överförs också med hjälp av multicast-strömmar. I DSP-terminologi kallas dessa strömmar SV-strömmar (Sampled Value).
SV-strömmar är meddelanden som innehåller en specifik uppsättning data och sänds kontinuerligt med en viss period. Varje meddelande innehåller en mätning vid en specifik tidpunkt. Mätningar görs med en viss frekvens – samplingsfrekvensen.
Samplingsfrekvens är samplingsfrekvensen för en tidskontinuerlig signal vid sampling av den.
Samplingshastighet 80 sampel per sekund
Sammansättningen av SV-strömmar beskrivs i IEC61850-9-2 LE.
SV-strömmar sänds via processbussen.
Processbuss är ett kommunikationsnätverk som tillhandahåller datautbyte mellan mätenheter och enheter på anslutningsnivå. Reglerna för utbyte av data (momentana ström- och spänningsvärden) beskrivs i IEC 61850-9-2-standarden (för närvarande används IEC 61850-9-2 LE-profilen).
SV-strömmar, som GOOSE-meddelanden, måste överföras snabbt. Om mätningarna överförs långsamt kan det hända att plintarna inte får den ström eller spänning som krävs för att utlösa skyddet i tid och kortslutningen kommer då att spridas till en stor del av det elektriska nätet och orsaka stor skada.
Varför är multicast nödvändigt?
Som nämnts ovan, för att täcka dataöverföringskraven för horisontell kommunikation, sänds GOOSE något ovanligt.
För det första sänds de på datalänknivå och har sin egen Ethertype – 0x88b8. Detta säkerställer höga dataöverföringshastigheter.
Nu är det nödvändigt att stänga kraven på garanti och tillförlitlighet.
Självklart, för att vara säker, är det nödvändigt att förstå om meddelandet levererades, men vi kan inte organisera att skicka bekräftelser på mottagning, som till exempel görs i TCP. Detta kommer att minska dataöverföringshastigheten avsevärt.
Därför används en Publisher-Subscriber-arkitektur för att sända GOOSE.
Publisher-Subscriber Architecture
Enheten skickar ett GOOSE-meddelande till bussen och abonnenter får meddelandet. Dessutom sänds meddelandet med en konstant tid T0. Om någon händelse inträffar genereras ett nytt meddelande, oavsett om den föregående perioden TO har avslutats eller inte. Nästa meddelande med ny data genereras efter en mycket kort tid, sedan efter en något längre period, och så vidare. Som ett resultat ökar tiden till T0.
Principen för att överföra GOOSE-meddelanden
Abonnenten vet från vem den tar emot meddelanden, och om den inte har fått något meddelande från någon efter tid T0, så genererar den ett felmeddelande.
SV-strömmar sänds även på länknivå, har sin egen Ethertype - 0x88BA och sänds enligt "Publisher – Subscriber"-modellen.
Nyanser av multicast-överföring i en digital transformatorstation
Men "energi" multicast har sina egna nyanser.
Notera 1. GOOSE och SV har sina egna multicast-grupper definierade
För "energi" multicast används deras egna distributionsgrupper.
Inom telekom används intervallet 224.0.0.0/4 för multicast-distribution (med sällsynta undantag, det finns reserverade adresser). Men själva IEC 61850-standarden och IEC 61850-företagsprofilen från PJSC FGC definierar sina egna multicast-distributionsområden.
För SV-strömmar: från 01-0C-CD-04-00-00 till 01-0C-CD-04-FF-FF.
För GOOSE-meddelanden: från 01-0C-CD-04-00-00 till 01-0C-CD-04-FF-FF.
Punkt 2. Terminalerna använder inte multicast-protokoll
Den andra nyansen är mycket mer betydande - reläskyddsterminaler stöder inte IGMP eller PIM. Hur fungerar de då med multicast? De väntar helt enkelt på att nödvändig information ska skickas till hamnen. De där. om de vet att de är prenumererade på en specifik MAC-adress accepterar de alla inkommande ramar, men behandlar bara de nödvändiga. Resten kasseras helt enkelt.
Allt hopp vilar med andra ord på växlarna. Men hur fungerar IGMP eller PIM om terminalerna inte skickar Join-meddelanden? Svaret är enkelt - inget sätt.
Och SV-strömmar är ganska tunga data. En stream väger cirka 5 Mbit/s. Och om allt lämnas som det är, visar det sig att varje stream kommer att sändas. Med andra ord kommer vi att dra bara 20 strömmar till ett 100 Mbit/s LAN. Och antalet SV-flöden vid en stor transformatorstation mäts i hundratal.
Vad är då vägen ut?
Enkelt - använd gamla beprövade VLAN.
Dessutom kan IGMP i den digitala understationens LAN spela ett grymt skämt, och vice versa, ingenting kommer att fungera. När allt kommer omkring kommer switchar inte att börja sända strömmar utan en begäran.
Därför kan vi lyfta fram en enkel idrifttagningsregel - "Fungerar inte nätverket? – Inaktivera IGMP!”
Normativ bas
Men det kanske ändå är möjligt att på något sätt organisera ett LAN för en digital understation baserat på multicast? Låt oss nu försöka vända oss till regleringsdokumentationen om LAN. Jag kommer särskilt att citera utdrag från följande STO:er:
- STO 34.01-21-004-2019 - DIGITALT KRAFTCENTER. KRAV PÅ TEKNOLOGISK UTFORMNING AV DIGITALA MELSTATER MED SPÄNNING 110-220 kV OCH NOD DIGITALA MELLANSTATIONER MED SPÄNNING 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – SWITCHAR AV ENERGIOBJEKT. Allmänna tekniska krav.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Tekniska standardkrav för organisation och prestanda för tekniska LAN i UNEG-transformatorstationens processkontrollsystem.
Låt oss först se vad som kan hittas i dessa bensinstationer om multicast? Det nämns endast i den senaste STO från PJSC FGC UES. Under LAN-acceptanstesterna ber servicestationen dig att kontrollera om VLAN:erna är korrekt konfigurerade och att kontrollera att det inte finns någon multicast-trafik i switchportar som inte är specificerade i arbetsdokumentationen.
Jo, servicestationen föreskriver också att servicepersonalen ska veta vad multicast är.
Det handlar om multicast...
Låt oss nu se vad du kan hitta i dessa bensinstationer om VLAN.
Här är alla tre bensinstationer överens om att switchar måste stödja VLAN baserade på IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 säger att VLAN ska användas för att styra flöden och med hjälp av VLAN ska trafiken delas upp i reläskydd, automatiserade processkontrollsystem, AIIS KUE, videoövervakning, kommunikation m.m.
STO 56947007-29.240.10.302-2020 kräver dessutom att en VLAN-distributionskarta förbereds under designen. Samtidigt erbjuder servicestationen sina utbud av IP-adresser och VLAN för DSP-utrustning.
STO tillhandahåller också en tabell över rekommenderade prioriteringar för olika VLAN.
Tabell över rekommenderade VLAN-prioriteringar från STO 56947007-29.240.10.302-2020
Ur ett flödeshanteringsperspektiv är det allt. Även om det fortfarande finns mycket att diskutera på dessa bensinstationer - från olika arkitekturer till L3-inställningar - kommer vi definitivt att göra detta, men nästa gång.
Låt oss nu sammanfatta flödeshanteringen i den digitala understationens LAN.
Slutsats
I den digitala understationen, trots det faktum att många multicast-strömmar sänds, används inte vanliga multicast-trafikhanteringsmekanismer (IGMP, PIM). Detta beror på att slutenheterna inte stöder några multicast-protokoll.
Gamla goda VLAN används för att styra flöden. Samtidigt regleras användningen av VLAN av regulatorisk dokumentation som ger ganska väl utvecklade rekommendationer.
Användbara länkar:
.
Källa: will.com